無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的由多學(xué)科交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及微機(jī)電技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳送到終端用戶(hù)，從而實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”理念。2003年，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。美國(guó)《今日防務(wù)》雜志更認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的變革?？梢灶A(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將對(duì)人們的社會(huì)生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動(dòng)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要特征就是低功耗、低成本和小體積。傳統(tǒng)的正弦載波無(wú)線傳輸技術(shù)由于存在中頻、射頻等電路和一些固有組件的限制難以達(dá)到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。超寬帶通信技術(shù)是一種非傳統(tǒng)的、新穎的無(wú)線傳輸技術(shù)，它通常采用極窄脈沖(脈寬在納秒至皮秒量級(jí))或極寬的頻譜(相對(duì)帶寬大于20%或絕對(duì)帶寬大于500 MHz)傳送信息。相對(duì)于傳統(tǒng)的正弦載波通信系統(tǒng)，超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)具有高傳輸速率、高空間頻譜效率、高測(cè)距精度、低截獲概率、抗多徑干擾、與現(xiàn)有系統(tǒng)頻譜共享、低功耗、低成本、易于全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使超寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)形成天然的結(jié)合，使基于超寬帶技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開(kāi)發(fā)得到越來(lái)越多的關(guān)注。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的自組織(Ad-hoc)網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染、環(huán)境不能被破壞或敵對(duì)區(qū)域)和一些臨時(shí)場(chǎng)合(如發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開(kāi)，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型工作方式如下：使用飛行器將大量傳感器節(jié)點(diǎn)拋撒到感興趣區(qū)域，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織快速形成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)既是信息的采集和發(fā)出者，也充當(dāng)信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)多跳路由到達(dá)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)(一些文獻(xiàn)稱(chēng)其為Sink Node)是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信，也可以利用無(wú)人機(jī)飛越網(wǎng)絡(luò)上空，通過(guò)網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)。
1.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
圖1給出了一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)(群)、接收發(fā)送器(Sink)、互聯(lián)網(wǎng)(或衛(wèi)星等)和任務(wù)管理界面等[1]。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，基本組成包括4個(gè)基本單元：傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU、存儲(chǔ)器和嵌入式操作系統(tǒng)等)、無(wú)線通信單元以及電源。另外，可以選擇的其他功能單元有：電源自供電系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等。
對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)。圖3給出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和傳感器網(wǎng)絡(luò)管理模塊組成。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成；網(wǎng)絡(luò)管理模塊包括能量管理、拓?fù)涔芾怼os控制、移動(dòng)性管理和網(wǎng)絡(luò)安全等。
2 網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展和應(yīng)用前景
在美國(guó)軍方、美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金和一些跨國(guó)企業(yè)的支持下，美國(guó)在90年代初便開(kāi)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開(kāi)發(fā)。其中，具有代表性的項(xiàng)目包括：1993?D1999年間由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔(dān)的WINS項(xiàng)目；1999?D2001年間由DAPRA資助，UC Berkeley承擔(dān)的Smart Dust項(xiàng)目；1998?D2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)的SensIT計(jì)劃；1999?D2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計(jì)劃等。目前為止，已開(kāi)發(fā)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有：Berkeley Motes、Berkeley Piconodes、Sensoria WINS、MIT uAMPs、Smart Mesh Dust Mote、Intel iMote以及Intel Xscale Nodes等。不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，硬件大小、功耗、設(shè)計(jì)代價(jià)也不盡相同，但大部分的節(jié)點(diǎn)都支持TinyOS操作系統(tǒng)。近年來(lái)，在中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“863”計(jì)劃基金的支持下，中國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)始開(kāi)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究，包括中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院計(jì)算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽(yáng)自動(dòng)化所以及合肥智能所等研究單位。
國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，完全歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對(duì)社會(huì)生活的巨大影響。表1總結(jié)歸納了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。
基于超寬帶技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，但是傳統(tǒng)的正弦載波通信由于其固有的組成以及一些無(wú)法克服的缺陷無(wú)法滿(mǎn)足傳感器節(jié)點(diǎn)低成本、低功耗、低設(shè)計(jì)復(fù)雜度、抗干擾等方面的要求。超寬帶脈沖無(wú)線電技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅猛，備受工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的新型通信技術(shù)，具備了許多正弦載波通信技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供高效合理的通信傳輸手段。
2.1 收發(fā)信機(jī)和硬件電路成本、功耗、設(shè)計(jì)復(fù)雜度低
超寬帶通信技術(shù)是一種非傳統(tǒng)的、新穎的無(wú)線傳輸技術(shù)，采用極窄脈沖或極寬的頻譜傳送信息。整個(gè)收發(fā)信機(jī)不含有傳統(tǒng)的中頻和射頻電路，設(shè)計(jì)代價(jià)簡(jiǎn)單，成本和功耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的正弦載波通信系統(tǒng)。所以，基于超寬帶技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很好的解決傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于體積、成本和功耗的難題，特別適合于微小傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求。另外，超寬帶無(wú)線通信技術(shù)在短距離的高數(shù)據(jù)傳輸能力，也為一些網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳輸大量數(shù)據(jù)和提供實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)提供了便利。超寬帶(UWB)和其他一些傳統(tǒng)低功耗無(wú)線通信模塊(如藍(lán)牙、Zigbee、TR系列等)相比，傳輸每比特信息UWB的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他無(wú)線通信技術(shù)[2]。
2.2 空間傳輸容量大
在節(jié)點(diǎn)密度高的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通信技術(shù)的空間傳輸容量是一個(gè)非常重要的因素。就單位面積的傳輸容量而言，超寬帶技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他短距離無(wú)線通信。因此，以超寬帶技術(shù)作為通信傳輸手段，更加適合于節(jié)點(diǎn)密集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
2.3 多徑分辨能力強(qiáng)
由于常規(guī)無(wú)線通信的射頻信號(hào)大多為連續(xù)信號(hào)或其持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于多徑傳播時(shí)間，多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超寬帶無(wú)線電發(fā)射的是持續(xù)時(shí)間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號(hào)在時(shí)間上是可分離的。由于脈沖多徑信號(hào)在時(shí)間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。
大量的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)常規(guī)無(wú)線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10～30 dB的多徑環(huán)境，對(duì)超寬帶無(wú)線電信號(hào)的衰落最多不過(guò)5 dB。對(duì)多徑的高分辨能力，不僅使基于超寬帶技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)適合于復(fù)雜惡劣的多徑環(huán)境，也節(jié)省了傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰繐p耗。
2.4 抗干擾能力強(qiáng)，安全性高
超寬帶無(wú)線通信技術(shù)由于脈沖的低占空比和多個(gè)脈沖傳送一個(gè)比特信息，帶來(lái)了較高的處理增益，提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力，適合于電磁環(huán)境惡劣的情況下的信息傳輸。另外，由于UWB信號(hào)一般把信號(hào)能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對(duì)一般通信系統(tǒng)，UWB信號(hào)相當(dāng)于白噪聲信號(hào)，信號(hào)的功率譜密度甚至低于自然的環(huán)境噪聲電平，被截獲和檢測(cè)的概率很低。采用編碼對(duì)脈沖參數(shù)進(jìn)行偽隨機(jī)化后，脈沖的檢測(cè)將更加困難。這個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)也為軍事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了良好的保密性能。UWB技術(shù)的低功率譜密度和高處理增益特性，也保證了它具備良好的同頻帶共存能力，可以很好的解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜環(huán)境下的電磁兼容問(wèn)題。
2.5 測(cè)距定位精度高
節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要條件。獲得節(jié)點(diǎn)位置的一個(gè)直接想法是使用全球定位系統(tǒng)(GPS)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用GPS來(lái)獲得所有節(jié)點(diǎn)的位置受到價(jià)格、體積、功耗等因素限制，存在著一些困難，另外GPS也很難應(yīng)用于室內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。超寬帶無(wú)線電中脈沖寬度為納秒級(jí)(甚至亞納秒級(jí))，占用的帶寬在1 GHz以上，具備厘米級(jí)的相對(duì)定位能力。國(guó)外一些公司為軍方開(kāi)發(fā)基于超寬帶技術(shù)的通信/定位系統(tǒng)，IEEE 802.15.4a工作組也正在進(jìn)行低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)物理層的標(biāo)準(zhǔn)化工作，主要研究能在極低功率消耗情況下同時(shí)提供通信和高精度測(cè)距/定位能力的解決方案，UWB技術(shù)正是其主要的備選方案。
綜上所述，基于UWB技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在諸多方面具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，將成為下一代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。
3 超寬帶無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
研究基于超寬帶技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，除了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用關(guān)鍵技術(shù)，還需要關(guān)注下面一些熱點(diǎn)問(wèn)題：適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的UWB無(wú)線傳輸技術(shù)，與UWB相結(jié)合考慮的無(wú)線傳感器MAC協(xié)議，利用定位信息的路由技術(shù)，高精度測(cè)距定位方法，跨層設(shè)計(jì)方法等。
3.1超寬帶傳輸技術(shù)
考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境，低功耗低成本是設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要問(wèn)題。所以，要結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)的要求，設(shè)計(jì)合適的UWB傳輸技術(shù)，重點(diǎn)研究簡(jiǎn)單、低功耗的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，低成本、小體積的收發(fā)信機(jī)，結(jié)構(gòu)合理的通信/定位一體化設(shè)計(jì)。綜合以上因素，非相干方式的UWB無(wú)線傳輸技術(shù)可以成為一個(gè)很好的備選方案。
3.2 媒體訪問(wèn)控制協(xié)議
無(wú)線傳感網(wǎng)研究的核心問(wèn)題之一就是功耗管理。射頻模塊是節(jié)點(diǎn)中最大的耗能模塊，是優(yōu)化的主要目標(biāo)。媒體訪問(wèn)控制(MAC)協(xié)議直接控制射頻模塊，對(duì)節(jié)點(diǎn)功耗有很大的影響。傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)效功耗主要來(lái)自：空閑偵聽(tīng)、數(shù)據(jù)沖突、串?dāng)_(接收和處理發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù))、控制報(bào)文開(kāi)銷(xiāo)等。MAC協(xié)議在降低功耗方面主要采用的方法有減少數(shù)據(jù)流量，增加射頻模塊休眠時(shí)間和沖突避免等等。
Sensor-MAC、Timeout-MAC、Wise-MAC、Berkley-MAC和Data-gathering MAC是目前無(wú)線傳感網(wǎng)比較有代表性的MAC協(xié)議。另外，低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)率的無(wú)線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4也對(duì)MAC協(xié)議做了詳細(xì)的規(guī)范。超寬帶無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以從UWB基本的信道劃分方式入手，利用超寬帶無(wú)線電的多址方式(跳時(shí)多址等)，結(jié)合上述的現(xiàn)有MAC協(xié)議，并考慮UWB技術(shù)自身的定位功能，研究低功耗、分布式、各方面性能比較平衡的MAC協(xié)議。
3.3 路由協(xié)議
路由協(xié)議的任務(wù)是在傳感器節(jié)點(diǎn)和接收發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間建立路由，可靠地傳遞數(shù)據(jù)。由于無(wú)線傳感網(wǎng)資源受限，因此路由協(xié)議的設(shè)計(jì)原則是算法簡(jiǎn)單，不能在節(jié)點(diǎn)保存太多的狀態(tài)信息，節(jié)點(diǎn)間不能交換太多的路由信息。目前有代表性的路由協(xié)議包括Flooding/Gossiping協(xié)議、SPIN協(xié)議、定向擴(kuò)散協(xié)議、LEACH協(xié)議和TEEN協(xié)議等。可以結(jié)合UWB技術(shù)的精確定位能力，利用位置信息將數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)到目標(biāo)區(qū)域，從而不必為了找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向全網(wǎng)廣播數(shù)據(jù)。另外，利用節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)距離，可以為數(shù)據(jù)報(bào)選擇更節(jié)省能量的路徑。
3.4 高精度測(cè)距定位技術(shù)
根據(jù)定位機(jī)制，可將現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位算法分為兩類(lèi)：Range-based和Range-free，即基于測(cè)距技術(shù)的定位算法和無(wú)需測(cè)距的定位算法。前者通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或者角度信息，使用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或最大似然估計(jì)法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置；后者無(wú)需距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實(shí)現(xiàn)。無(wú)需測(cè)距定位機(jī)制在成本、功耗等方面具有優(yōu)勢(shì)，但精度較低，主要算法包括質(zhì)心算法、凸規(guī)劃算法、DV-Hop、Amorphous、MDS-MAP和APIT算法等。UWB脈沖的寬度在1 ns以下，占用的帶寬在1 GHz以上，采用時(shí)間到達(dá)(TOA)方法測(cè)距，理論上可以達(dá)到厘米級(jí)的測(cè)距精度[3]。但在復(fù)雜多徑和非視距(NLOS)的影響下，UWB的測(cè)距和定位精度很難達(dá)到理論極限，選擇性能代價(jià)比高的定位機(jī)制和節(jié)省能耗的定位跟蹤算法是目前急需解決的問(wèn)題。通過(guò)結(jié)合MAC和路由協(xié)議的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高精度的測(cè)距、定位和跟蹤。
3.5 協(xié)議棧優(yōu)化和跨層設(shè)計(jì)思路
在保證一定的系統(tǒng)通信性能(傳輸速率、延遲、丟包率等)的前提下，優(yōu)化的協(xié)議棧設(shè)計(jì)會(huì)直接支持網(wǎng)絡(luò)能量管理的優(yōu)化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧優(yōu)化必須針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合容錯(cuò)性、抗干擾性和功耗等關(guān)鍵指標(biāo)的要求進(jìn)行全局跨層設(shè)計(jì)。在研究超寬帶無(wú)線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合，考慮UWB無(wú)線電的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)融合、目標(biāo)定位/跟蹤以及查詢(xún)和管理等具體要求，探索具有自組織、分布式和跨層優(yōu)化能力的超寬帶無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系。
4 結(jié)束語(yǔ)
UWB技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是兩個(gè)新興的熱點(diǎn)研究課題，兩者可以形成天然的結(jié)合。基于UWB技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備一些傳統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，將成為下一代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，具備廣闊的應(yīng)用前景。
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